李博 趙惠惠 劉韜（ 中國空間技術(shù)研究院， 北京空間科技信息研究所）

歐洲新一代商業(yè)高分辨率光學成像衛(wèi)星——“新一代昴宿星”（Pleiades Neo）于2021年4月29日成功發(fā)射，首星命名為新一代昴宿星－3。“新一代昴宿星”具有分辨率高、偵測一體、圖像采集能力強、衛(wèi)星高度敏捷和星座高頻重訪等特點。

1 發(fā)展歷程

在法國太陽神－2（Helios－2）軍用光學成像衛(wèi)星和軍民兩用“昴宿星”（Pleiades）部署完畢后，法國國家空間研究中心（CNES）尋求下一代光學成像衛(wèi)星的研制方案，旨在實現(xiàn)小時級重訪和更高的分辨率，并提升衛(wèi)星持續(xù)觀測時間以及高響應能力。為了響應CNES的需求，阿斯特留姆公司（Astrium）,也就是現(xiàn)在的空客防務與航天公司（ADS），于2013年前后提出了3個項目，包括：“阿克托斯”（ARCTOS）低軌甚高分辨率（0.2～0.35m分辨率）成像衛(wèi)星項目、“高時間重訪”（HRT）中軌高分辨率光學成像衛(wèi)星項目和“靜止軌道觀測空間監(jiān)視系統(tǒng)”（GO3S）高分辨率成像衛(wèi)星項目。同期，阿斯特留姆公司還承擔了CNES的“高分辨率對地觀測光學系統(tǒng)”（OTOS）項目，該項目旨在研制分辨率為0.2～0.35m的法國下一代“光學空間段”（CSO）軍用光學成像衛(wèi)星。

但是，CNES相關項目并未有明確的、實質(zhì)性的推進。同時，隨著旗下在軌上一代“昴宿星”等衛(wèi)星接近壽命末期，ADS公司計劃獨資發(fā)展下一代“昴宿星”。2016年9月，ADS公司正式宣布建造4顆甚高分辨率光學成像衛(wèi)星，原計劃2020年和2021年發(fā)射。衛(wèi)星雖然由ADS公司獨資研制，但其客戶將包括法國國防部等軍方機構(gòu)。2017年1月，ADS公司總裁宣布星座名稱為VHR2020，并明確分辨率為0.3m。2017年9月，ADS公司修改星座名稱為“新一代昴宿星”，同時明確衛(wèi)星將攜帶Ka頻段接收機，可通過“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（EDRS）系統(tǒng)進行快速任務規(guī)劃，還帶有EDRS激光數(shù)據(jù)終端。

2系統(tǒng)基本情況

全面轉(zhuǎn)為純商業(yè)發(fā)展模式

“新一代昴宿星”是歐洲ADS公司獨資的純商業(yè)衛(wèi)星，而上一代“昴宿星”由CNES和法國國防部共同出資。對于上一代“昴宿星”，一般情況下，2顆“昴宿星”每天可獲取約1000幅圖像，法國國防部具有優(yōu)先權(quán)，每天可獲取50幅圖像，CNES按照投資比例每天獲取約900幅圖像，其中40%分發(fā)給各民用部門，另外60%交由ADS公司進行商業(yè)銷售。而對于“新一代昴宿星”，由ADS公司獨資建造、管理和運營，星座投資約5.5億歐元，能在發(fā)射后15年內(nèi)為各行各業(yè)的客戶提供超高水平的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務。

系統(tǒng)設計與性能指標較上一代大幅提升

1）在系統(tǒng)設計方面?！靶乱淮乃扌恰辈渴鹪谔柾杰壍?，軌道高度620km。星座由4顆相同衛(wèi)星組成，4顆衛(wèi)星位于同一軌道面，相鄰兩顆衛(wèi)星相位成90°，星座重訪每日2次，任務規(guī)劃時間少于25min。衛(wèi)星設計壽命10年。

2）在平臺方面?！靶乱淮乃扌恰辈捎肁DS公司的“S950光學”平臺，發(fā)射質(zhì)量為920kg，衛(wèi)星功耗1kW?！癝950光學”平臺呈六面體構(gòu)型，攜帶控制力矩陀螺。平臺采用兩個圓形太陽電池翼；而“昴宿星”的天體衛(wèi)星－1000（AstroSat－1000）平臺呈六面體構(gòu)型，3個太陽電池翼以120°間隔均勻分布，整星干質(zhì)量940kg，燃料質(zhì)量為75kg。

3）在有效載荷方面。相比上一代衛(wèi)星，“新一代昴宿星”全色分辨率從“昴宿星”的0.7m提高到0.3m，多光譜分辨率從2.8m提供到1.2m，達到美國世界觀測－3（WorldView－3）衛(wèi)星的全色和多光譜分辨率水平?！靶乱淮乃扌恰狈鶎?4km，圖像量化位數(shù)12bit，圖像定位精度優(yōu)于5m，相機口徑約為1.35m，具有1個全色譜段，6個多光譜譜段（包括深藍、藍、綠、紅、紅邊、近紅外）。其中，深藍譜段和紅邊譜段比較特殊，深藍譜段具有一定的海水穿透能力，而紅邊譜段用于植被監(jiān)測。衛(wèi)星可側(cè)擺±52°，大區(qū)域成像模式能夠單軌獲取70km×110km的圖像，相當于單軌可獲取東京或上海城區(qū)的圖像，單星每日可收集5×105km2的圖像。

“S950光學”平臺

“昴宿星”效果圖

兩代“昴宿星”參數(shù)對比

與上一代星座相比，“新一代昴宿星”在技術(shù)上還有如下特點：

1）引入了數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)。采用靜止軌道衛(wèi)星進行指令和數(shù)據(jù)中繼，緊急模式下從發(fā)送指令到接收數(shù)據(jù)可在40min內(nèi)完成。用戶上傳指令可在15～25min內(nèi)完成，圖像獲取的時間為20～50min。具體來說，“新一代昴宿星”搭載了Ka頻段的指令接收機和激光數(shù)據(jù)中繼終端，用戶向靜止軌道EDRS衛(wèi)星發(fā)送任務規(guī)劃指令，經(jīng)過其中繼后發(fā)送給“新一代昴宿星”。圖像數(shù)據(jù)也可經(jīng)過EDRS衛(wèi)星中繼下傳，這樣可以避免衛(wèi)星不在地面站覆蓋區(qū)域時無法接收指令和下傳數(shù)據(jù)的問題，大幅縮短響應時間。

2）輕量化技術(shù)水平顯著提升。相比上一代“昴宿星”0.65m口徑相機，“新一代昴宿星”在采用1.35m大口徑相機的同時，整星質(zhì)量下降到920kg，說明歐洲在衛(wèi)星輕量化技術(shù)方面取得較大成果。

多手段提升系統(tǒng)效率與應用效能

（1）縮短任務規(guī)劃時間和數(shù)據(jù)回傳時間

“新一代昴宿星”星座正式運行后，將具備極快的反應速度和數(shù)據(jù)傳輸速度。空客公司優(yōu)化了整個星座的任務規(guī)劃能力。作為一個基本要求，新的任務規(guī)劃從軟件計算到上傳衛(wèi)星的時間能夠縮短到25min，這使衛(wèi)星能夠執(zhí)行緊急任務請求。同時，衛(wèi)星還能夠根據(jù)最新的天氣預報，將成像任務放在成功率較高的區(qū)域?？傮w來看，與現(xiàn)有“昴宿星”星座相比，該星座規(guī)劃任務的速度是其6倍。

“新一代昴宿星”具備激光通信終端，數(shù)傳速率達到1.8Gbit/s，可直接訪問歐洲EDRS系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)原本主要服務于歐盟“哥白尼”（Copernicus）計劃中的“哨兵”（Sentinel）系列衛(wèi)星，“新一代昴宿星”星座將是第一個可直接訪問該系統(tǒng)的商業(yè)遙感星座。該星座將充分利用該系統(tǒng)，給衛(wèi)星系統(tǒng)提供極快的反應速度、極低的響應延遲和極大的數(shù)據(jù)傳輸，每天高達40TB的數(shù)據(jù)可以實時傳輸?shù)降厍颉Ｉ鲜黾す馔ㄐ沤K端由德國特薩特空間通信公司（Tesat Spacecom）研制，德國航天局（DLR）和ADS公司提供了相關支持。

（2）ADS公司強大的地面處理系統(tǒng)支持“新一代昴宿星”的使用

用戶將利用“新一代昴宿星”星座更強的監(jiān)測能力和運行效率開展應用。根據(jù)空客集團提升數(shù)字化程度和連通性的戰(zhàn)略部署，公司將增強地面部分的信息訪問能力，提供機器學習和自動化分析應用，這些應用具備多重任務和大規(guī)模圖像處理能力。

在應用方面，客戶可直接通過ADS公司的數(shù)字平臺“一個地圖集”（OneAtlas）獲取超高分辨率圖像，OneAtlas平臺是面向用戶的協(xié)作環(huán)境，使用戶能夠輕松訪問不斷更新的衛(wèi)星圖像，并執(zhí)行大規(guī)模圖像處理；能夠根據(jù)特定需求，獲取定制化的分析結(jié)果。此外，OneAtlas是一個多源數(shù)據(jù)融合處理平臺，平臺還可融合ADS公司擁有的其他光學和雷達數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與“新一代昴宿星”衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行融合處理，供客戶進行分析?；凇靶乱淮乃扌恰毙l(wèi)星的數(shù)據(jù)和“像素工廠”（Pixel Factory Neo），用戶可以快速、可靠地創(chuàng)建城市和偏遠地區(qū)的三維紋理模型和數(shù)字高程模型等產(chǎn)品。此外，ADS公司已于2019年與瑞典航天公司（SSC）建立合作伙伴關系，SSC公司負責提供極地站有關的服務，為“新一代昴宿星”提供遙測服務。

3 分析研判

從全球商業(yè)光學成像衛(wèi)星能力看，歐洲仍處于第二位

“新一代昴宿星”盡管圖像定位精度相比上一代提升1倍，優(yōu)于5m，但是仍然沒有達到美國世界觀測－3衛(wèi)星的3.5m圖像定位精度水平。其次，盡管增加譜段數(shù)量達到7個，但譜段數(shù)量與世界觀測－3衛(wèi)星相差10個，并且缺少短波紅外譜段。在重訪能力方面，相比于美國新型“世界觀測軍團”（WorldView Legion）衛(wèi)星系統(tǒng)來說，“新一代昴宿星”四星星座提升重訪時間1倍是建立在衛(wèi)星數(shù)量增加1倍的基礎上的?！靶乱淮乃扌恰辈捎玫娜匀皇翘柾杰壍?，可見單純采用太陽同步軌道難以大幅提升重訪能力。而美國新型“世界觀測軍團”六星星座混合使用2星部署在太陽同步軌道和4星部署在中傾角軌道，使星座重訪能力提升至每日13次。從軌道設計上，歐洲發(fā)展思路相對保守。

“新一代昴宿星”提升分辨能力的途徑分析

1）分辨率提升主要依靠大口徑反射鏡。“昴宿星”采用0.65m口徑的反射鏡，而“新一代昂宿星”采用約1.35m口徑的反射鏡。由于相機口徑越大，分辨率越高，“新一代昂宿星”分辨率從上一代的0.7m提升至0.3m。此外，軌道高度從694km下降到620km，也起到一定的提升分辨率的作用。

2）應用效果提升，主要依靠多星組網(wǎng)和數(shù)據(jù)中繼。一方面，多星組網(wǎng)提升了任務響應能力；另一方面，通過靜止軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)和指令的中繼，既可提升響應能力，也可縮短圖像數(shù)據(jù)下傳時間?！靶乱淮乃扌恰睌y帶激光通信終端，可由EDRS衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)中繼，極大提升對地觀測數(shù)據(jù)交付時效性。

綜合提升應用性指標已成為未來遙感衛(wèi)星的重要發(fā)展趨勢

在新型商業(yè)光學成像衛(wèi)星發(fā)展方面，“新一代昴宿星”將提高重訪能力與圖像定位精度、縮短任務規(guī)劃與圖像下傳時間等指標放在重要位置。歐洲“新一代昴宿星”采用增加系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量實現(xiàn)高重訪，美國“世界觀測軍團”既增加系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量,又采用優(yōu)化軌道實現(xiàn)高重訪。上述新衛(wèi)星系統(tǒng)還將提升衛(wèi)星圖像定位精度作為一項重要內(nèi)容，旨在提升在制圖、自動駕駛等應用領域的競爭力?！靶乱淮乃扌恰币仓匾暱s短任務規(guī)劃與圖像下傳時間，旨在提升快速響應和應急事件監(jiān)測等應用能力。目前，歐洲利用極地地面站和靜止軌道激光中繼衛(wèi)星實現(xiàn)這一能力。

4 結(jié)束語

“新一代昴宿星”發(fā)射后，歐、美主流商業(yè)對地觀測運營商進入0.3m甚高分辨率時代，意味著國際對地觀測市場將展開激烈競爭。同時，歐、美高分辨率商業(yè)光學衛(wèi)星圖像定位精度全部優(yōu)于5m，個別達到3.5m，在制圖精度方面占據(jù)技術(shù)優(yōu)勢。歐、美衛(wèi)星譜段數(shù)量多，應用更加精細化。可見，甚高分辨率、高圖像定位精度、多譜段已成為未來高端商業(yè)對地觀測衛(wèi)星的發(fā)展方向。